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薄膜厚度的常用測量方法 

2007/8/10 15:04:24 人評(píng)論

薄膜厚度是否均勻一致是檢測薄膜各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)。很顯然,倘若一批單層薄膜厚度不均勻,不但會(huì)影響到薄膜各處的拉伸強(qiáng)度、阻隔性等,更會(huì)影響薄膜的后續(xù)加工。對(duì)于復(fù)合薄膜,厚度的均勻性更加重要,只有整體厚度均勻,每一層樹脂的厚度才可能均勻。因此,薄膜厚度是否均勻,是否與預(yù)設(shè)值一致,厚度偏差是否在指定的范圍內(nèi),這些都成為薄膜是否能夠具有某些特性指標(biāo)的前提。薄膜厚度測量是薄膜制造業(yè)的基礎(chǔ)檢測項(xiàng)目之一。1. 包裝材料厚度的測試  最早用于薄膜厚度測量的是非在線測厚技術(shù)。之后,隨著射線技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸研制出與薄膜生產(chǎn)線安裝在一起的在線測厚設(shè)備。上個(gè)世紀(jì)60年代在線測厚技術(shù)就已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)在更能夠檢測薄膜某一涂層的厚度。同時(shí),非在線測厚技術(shù)也有了長足的發(fā)展,各種非在線測試技術(shù)紛紛興起?! ≡诰€測厚技術(shù)與非在線測厚技術(shù)在測試原理上完全不同,在線測厚技術(shù)一般采用射線技術(shù)等非接觸式測量法,非在線測厚技術(shù)一般采用機(jī)械測量法或者基于電渦流技術(shù)或電磁感應(yīng)原理的測量法,也有采用光學(xué)測厚技術(shù)、超聲波測厚技術(shù)的。2. 在線測厚  較為常見的在線測厚技術(shù)有β射線技術(shù),X射線技術(shù)和近紅外技術(shù)。2.1 β射線技術(shù)  β射線技術(shù)是最先應(yīng)用于在線測厚技術(shù)上的射線技術(shù),在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)廣泛用于超薄薄膜的在線厚度測量了。它對(duì)于測量物沒有要求,但β傳感器對(duì)溫度和大氣壓的變化、以及薄膜上下波動(dòng)敏感,設(shè)備對(duì)于輻射保護(hù)裝置要求很高,而且信號(hào)源更換費(fèi)用昂貴, Pm147源可用5-6年,Kr85源可用10年,更換費(fèi)用均在6000美元左右。2.2 X射線技術(shù)  這種技術(shù)極少為薄膜生產(chǎn)線所采用。X光管壽命短,更換費(fèi)用昂貴,一般可用2-3年,更換費(fèi)用在5000美元左右,而且不適用于測量由多種元素構(gòu)成的聚合物,信號(hào)源放射性強(qiáng)。X射線技術(shù)常用于鋼板等單一元素的測量。2.3 近紅外技術(shù)  近紅外技術(shù)在在線測厚領(lǐng)域的應(yīng)用曾受到條紋干涉現(xiàn)象的影響,但現(xiàn)在近紅外技術(shù)已經(jīng)突破了條紋干涉現(xiàn)象對(duì)于超薄薄膜厚度測量的限制,完全可以進(jìn)行多層薄膜總厚度的測量,并且由于紅外技術(shù)自身的特點(diǎn),還可以在測量復(fù)合薄膜總厚度的同時(shí)給出每一層材料的厚度。近紅外技術(shù)可用于雙向拉伸薄膜、流延膜和多層共擠薄膜,信號(hào)源無放射性,設(shè)備維護(hù)難度相對(duì)較低。2.4 在線測厚設(shè)備的應(yīng)用情況  在線測厚能夠以最快的速度獲取厚度測試數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線的參數(shù),縮短開車時(shí)間。但是在線測厚設(shè)備必須配備與生產(chǎn)線相匹配的掃描架,這在一定程度上限制了在線測厚設(shè)備的重復(fù)利用。而且由于薄膜生產(chǎn)線往往需要長期連續(xù)工作,因此相應(yīng)的在線測厚設(shè)備也就必須長期工作。在設(shè)備的價(jià)格上,在線測試設(shè)備一般要比非在線測試設(shè)備貴很多,而且前者的運(yùn)行費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用也比較高。3. 非在線測厚  非在線測厚技術(shù)主要有—接觸式測量法和非接觸式測量法兩類,接觸式測量法主要是機(jī)械測量法,非接觸式測量法包括光學(xué)測量法、電渦流測量法、超聲波測量法等。由于非在線測厚設(shè)備價(jià)格便宜、體積小等原因,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。3.1 渦流測厚儀和磁性測厚儀  渦流測厚儀和磁性測厚儀一般都是小型便攜式設(shè)備,分別利用了電渦流原理和電磁感應(yīng)原理。專用于各種特定涂層厚度的測量,用于測量薄膜、紙張的厚度時(shí)有出現(xiàn)誤差的可能。3.2 超聲波測厚儀  超聲波測厚儀也多是小型便攜式設(shè)備,利用超聲波反射原理,可測金屬、塑料、陶瓷、玻璃以及其它任何超聲波良導(dǎo)體的厚度。可在高溫下工作,這是很多其它類型的測厚儀所不具備的,但對(duì)檢測試樣的種類具有選擇性。3.3 光學(xué)測厚儀  利用光學(xué)原理。從測試原理上來說光學(xué)測厚儀可達(dá)到極高的測試精度,但是這類測厚儀在使用及維護(hù)上要求極高:必須遠(yuǎn)離振源;嚴(yán)格防塵;專業(yè)操作及維護(hù)等。使用范圍較窄,僅適用于復(fù)合層數(shù)較少的復(fù)合膜。3.4 機(jī)械測厚儀  機(jī)械測厚儀可以分為點(diǎn)接觸式和面接觸式兩類,是一種接觸式測厚方法,它與非接觸式測厚方法有著本質(zhì)的區(qū)別——能夠在進(jìn)行厚度測量前給試樣測量表面施加一定的壓力(點(diǎn)接觸力或面接觸力),這樣可以避免在使用非接觸式測厚儀測量那些具有一定壓縮性、表面高低不平的材料時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的現(xiàn)象。機(jī)械測厚儀采用最傳統(tǒng)的測厚方法,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,對(duì)試樣沒有選擇性。  由于機(jī)械測厚儀的測試精度主要取決于測厚元件的精度,所以市場上的機(jī)械測厚儀的測試精度參差不齊。此外,機(jī)械測厚儀的核心元件——測量頭及測量面——對(duì)于微小的振動(dòng)都十分敏感,所以在有振源的環(huán)境中測量精度沒有任何意義。為了避免自身的振動(dòng),并盡可能地減少外界振動(dòng)的影響,設(shè)備底座都采用重而寬的金屬制成,這在一定程度上保證了測厚精度,卻也給機(jī)械測厚儀的小型化和輕便化帶來了很大的困難。環(huán)境溫度和風(fēng)速同樣可以影響傳感器的精度,因此必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)使用。國際上制定了很多關(guān)于機(jī)械式測厚設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)(這在包裝材料測厚領(lǐng)域內(nèi)是比較罕見的,其它類型的測厚設(shè)備少有標(biāo)準(zhǔn)的支持),ISO 534:1988,ISO 4593:1993,ASTM D 645-97,GB/T 6672-2001等。    需要指出的是,常見的機(jī)械測厚儀有點(diǎn)接觸式測厚儀和面接觸式測厚儀兩類,由于測量頭與試樣的接觸面積不同,測量頭的施力不同,施力速度不同,相同的試樣(這里假設(shè)厚度均勻一致)使用這兩類測厚儀很可能得到不同的測試結(jié)果,這主要是由于可壓縮試樣在不同的情況下產(chǎn)生的形變率往往不相同。因此,在選擇機(jī)械測厚儀測試時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行所參照標(biāo)準(zhǔn)的測試條件和測試要求。3.5 非在線測厚設(shè)備的應(yīng)用情況   非在線測厚設(shè)備的銷售量要比在線測厚設(shè)備大一些,一方面,它的價(jià)格便宜;另一方面,相對(duì)于在線測厚設(shè)備,非在線測厚儀器都可以比較方便的搬運(yùn)移動(dòng);再有,非在線測厚設(shè)備的使用與在線測厚設(shè)備的使用并不沖突,兩者可以有效配合,提高產(chǎn)品合格率。對(duì)于某些試樣使用不同的測厚儀可能會(huì)得到不同結(jié)果,這一方面是由于各種測厚儀的測試原理差異較大,除機(jī)械測厚儀外的其它類型測厚儀往往對(duì)試樣的材質(zhì)具有選擇性,通用性較差;另一方面,軟包材多數(shù)具有可壓縮性。  蘭光今年成功開發(fā)出國內(nèi)第一款超高精度的機(jī)械測厚儀CHY-C1,測試分辨率在0.1μm,如此高精度的機(jī)械測厚儀在國際上也是很罕見的,因此蘭光CHY-C1測厚儀的推出在我國包裝行業(yè)內(nèi)引起了巨大的轟動(dòng)。4. 軟包裝材料的特性  常見的軟包材主要是由聚合物和紙制品加工制造的。聚合物分為橡膠、纖維、和塑料三大類。橡膠的特性是在室溫下彈性高,即在很小的外力作用下,能產(chǎn)生很大的形變;外力去除后能迅速恢復(fù)原狀,彈性模數(shù)小,約為105~106N/m2。相反,纖維的彈性模數(shù)較大,約為109~1010N/m2,受力時(shí)形變較小。塑料的彈性模數(shù)約為107~108N/m2,部分形變是可逆的,也有一部分則是永久形變。這三類聚合物是很難嚴(yán)格劃分的。例如聚氯乙稀是典型的塑料,但也可以抽成纖維,配入適量增塑劑可制成類似橡膠的軟制品。通常紙張性質(zhì)松軟,有一定的壓縮性,存在表面高低不平的情況。  可見,聚合物和紙制品受力后都會(huì)產(chǎn)生形變,處于一種被壓縮的狀態(tài),所以軟包裝材料一般都有一定的形變率,因此,在進(jìn)行試樣厚度測量時(shí)是否存在對(duì)試樣測量面施加的壓力將直接影響測試結(jié)果。5. 總結(jié)  對(duì)于薄膜制造商而言,產(chǎn)品的厚度均勻性是最重要的指標(biāo)之一,想要有效地控制材料厚度,厚度測試設(shè)備是必不可少的,但是具體要選擇哪一類測厚設(shè)備還需根據(jù)軟包材的種類、廠商對(duì)厚度均勻性的要求、以及設(shè)備的測試范圍等因素而定。  來源:濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)發(fā)展中心實(shí)驗(yàn)室  

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